Wnętrze Ziemi to ogromne źródło mocy – gigantyczny kocioł magmy, wciąż rozgrzanej do kilku tysięcy stopni. Ciepło migruje z niego ku chłodnej powierzchni globu. Po drodze ten strumień energii pierwotnej jest zasilany przez ciepło radiogeniczne – pochodzące z rozpadu pierwiastków promieniotwórczych rozproszonych w skałach płaszcza i skorupy. A gdyby tak je ująć i przetworzyć w prąd elektryczny? Nic z tego. W przeciętnych warunkach strumień cieplny docierający do obszaru wielkości boiska piłkarskiego z trudem by wystarczył do zasilenia sokowirówki.
Jednak nawet z tak wątłej dostawy jest pożytek. W miejscach, gdzie warstwy wodonośne są izolowane od powierzchni grubą pokrywą skał słabiej przewodzących ciepło, po tysiącleciach akumulacji powstają zbiorniki wód termalnych. Ale by nie stracić niewielkiego ładunku ciepła zawartego w tym medium, trzeba się dobrze nagłowić, stąd wiele warunków technicznych, które powinno spełniać ujęcie geotermalne. Obok dobrych parametrów samego ujęcia (temperatura, wydajność, jakość wody) konieczna jest wysoka koncentracja odbiorców, równomierny pobór niezależny od pory roku, kaskadowe schładzanie i wiele innych. Między innymi dlatego nie obserwujemy żywiołowego rozwoju geotermii, nawet tam, gdzie warunki geologiczne są sprzyjające (patrz POLITYKA 49/04). Wąskim gardłem jest dystrybucja ciepła.
Są jednak miejsca na świecie, które takich problemów nie mają. Tam energię geotermiczną daje się zamieniać na najbardziej pożądaną formę energii – prąd elektryczny.
Kopalnie pary
Książę Piero Ginori Conti, włoski senator i przemysłowiec, był wielkim miłośnikiem postępu i techniki. W 1904 r. w toskańskim Larderello, znanym od starożytności ze swych gorących źródeł i ekshalacji wulkanicznych, otworzył pierwszą na świecie elektrownię geotermiczną. Instalacja nie była skomplikowana – para z otworu wiertniczego napędzała silnik tłokowy sprzężony z prądnicą o mocy 0,55 kW. Po kilku modernizacjach moc elektrowni wzrosła do 60 MW w 1936 r. Szczyt produkcji przypadł na 1943 r., co wywołało zainteresowanie aliantów i Larderello zostało zbombardowane. Po wojnie elektrownię odbudowano. Instalacja o mocy 543 MW działa do dzisiaj, aczkolwiek z coraz mniejszą wydajnością, gdyż ciśnienie pary spadło o prawie 30 proc. w stosunku do połowy XX w.
Źródłem energii w Larderello jest gorący jęzor magmy, który kilka milionów lat temu wystrzelił z głębi Ziemi, ale nie zdołał przebić się na powierzchnię. Magma zatrzymała się na głębokości 2–3 km i do dzisiaj powoli stygnie pod izolacyjną pokrywą skał osadowych. Granitowy blok jest pocięty uskokami tektonicznymi i spękaniami termicznymi, co pozwala na przenikanie wód podziemnych, które w kontakcie z rozgrzaną do 350 st. skałą przechodzą w stan gazowy. To wyjątkowo korzystna sytuacja geologiczna, albowiem spod ziemi wydobywa się tu parę o ciśnieniu 4–7 MPa, którą można skierować prosto na łopatki turbin.
Niestety, na świecie udało się znaleźć tylko kilka takich fenomenów jak Larderello, m.in.w The Geysers, 100 km na północ od San Francisco. Pozostałe gorące miejsca takich zalet nie mają – z odwiertów wydobywa się zwykle mieszanka pary z wodą, co komplikuje zastosowanie energetyczne. Dopiero w 1958 r. udało się rozwiązać ten problem w siłowni Wairakei w Nowej Zelandii, gdzie zaadaptowano system używany od dawna w poczciwych lokomotywach.
Binarna rewolucja
Kolejnym przełomem w energetyce geotermicznej było wprowadzenie w latach 70. systemów binarnych. Różnią się one od zamkniętych układów parowo-wodnych, używanych w elektrowniach, wykorzystaniem cieczy organicznych o niskiej temperaturze parowania (zwykle izobutanu) zamiast wody. Pozwala to obniżyć temperaturę wymaganą do uruchomienia turbogeneratora – takie instalacje zadowalają się temperaturą 150 st. lub nawet niższą. Systemy binarne, znane jako ORC (od ang. Organic Rankine Cycle), pozwoliły zagospodarować wiele ujęć, które dostarczały wodę o temperaturze niewystarczającej do generowania dużych ilości pary.
Dziś elektrownie wykorzystujące wszystkie rodzaje mediów – parę, wodę z parą i gorącą wodę – nie są już technicznymi fenomenami. Obok dużych zakładów jak Larderello czy The Geysers gdzieś na pustyni w Newadzie czy w tropikalnej dżungli w Ameryce Środkowej pracują niewielkie, czasami w pełni automatyczne instalacje. Siłownie geotermiczne działają w 24 krajach – najwięcej w USA, Islandii, Włoszech, Nowej Zelandii i Japonii. W Salwadorze, Kenii, Filipinach i Islandii dostarczają ponad 15 proc. wytwarzanej energii. Całkowita ich moc na świecie wynosi ok. 9 tys. MW.
Niestety, energia czerpana z wnętrza Ziemi nie jest wieczna. Po dłuższym okresie eksploatacji spada temperatura pobieranej wody, zmniejsza się ciśnienie pary. Dzieje się tak, bo proces odnawiania złoża jest wielokrotnie wolniejszy niż tempo eksploatacji. Obecnie prawie nigdzie nie odprowadza się więc wykorzystanej wody do rzek czy jezior, lecz tłoczy z powrotem pod ziemię. Zakłady, które przez lata prowadziły rabunkową gospodarkę, na gwałt uzupełniają złoża, zwracając nie tylko zużywaną wodę, ale uzupełniając jej braki. W The Geysers rozpoczęto duży projekt pompowania pod ziemię ścieków komunalnych i przemysłowych zbieranych rurociągami z okolicznych miejscowości.
Gorące suche skały
Do niedawna wydawało się, że możliwości energetyki geotermicznej są ograniczone i koncentruje się ona w najaktywniejszych geologicznie rejonach – na krawędziach ścierających się płyt tektonicznych, znaczonych rzędami wulkanów. A wnętrza kontynentów? Czy mogą liczyć wyłącznie na nagrodę pocieszenia – pożyteczne ciepłe wody, nienadające się jednak do generowania prądu?
Na długo, zanim programy alternatywnych źródeł energii zaczęły uzyskiwać rządowe dotacje, naukowcy lansowali uparcie ideę pozyskiwania energii geotermicznej wprost z rozgrzanych, bezwodnych skał, zalegających głęboko prawie wszędzie pod powierzchnią. Idea HDR (ang. Hot Dry Rocks – gorące suche skały) była prosta: należy dowiercić się do bloku takich skał i wtłoczyć wodę pod dużym ciśnieniem. Na skutek tej operacji, zwanej szczelinowaniem, górotwór powinien popękać wokół otworu wiertniczego. Do strefy spękań należy wywiercić jeszcze jeden otwór i wymiennik ciepła mamy gotowy. Łatwo powiedzieć, trudniej zrobić. Odpowiednio rozgrzane skały spotkać można, poza strefami wulkanicznymi, na głębokości 3–4 km. Jeden otwór o takiej głębokości kosztuje w Stanach Zjednoczonych ponad 5 mln dol., w Europie więcej. Szczelinowanie stosowane standardowo w przemyśle naftowym w celu zwiększenia przepuszczalności skał ropo- i gazonośnych jest prawie tak samo drogie jak wiercenie. Ponadto dobrze opanowano technologię wytwarzania szczelin w skałach osadowych, typowych dla złóż węglowodorów. Niewiele było wiadomo o szczelinowaniu skał ogniowych jak granity czy bazalty, a tylko takie są przydatne do geotermii HDR. Skały osadowe – wapienie, piaskowce, łupki – mają zbyt dużą przepuszczalność, co uniemożliwia wytworzenie szczelnej pętli geotermalnej; poza tym są zwykle zimne.
Nic dziwnego, że wobec tylu problemów naukowych i technicznych idea przez kilkadziesiąt lat była traktowana jako science fiction. Zniechęcające były pierwsze próby. Słynne amerykańskie Los Alamos Laboratory od 1974 r. do 1992 r. realizowało projekt Fenton Hill – mimo wielu prób nie udało się wygenerować ani kilowatogodziny. Podobne badania podjęto w Wielkiej Brytanii, Szwecji, Niemczech i Francji. Prądu wciąż nie udawało się uzyskać, ale zdobyte doświadczenia przydały się do zwiększenia wydajności klasycznych wodnych ujęć geotermalnych i do instalowania zespołów binarnych. W ten sposób zmodernizowano wiele siłowni w Stanach Zjednoczonych, a w Europie powstała m.in. elektrownia w Landau, w Niemczech, otwarta w listopadzie 2007 r. Zakład korzysta z naturalnych wód o temperaturze 155 st. C na głębokości 3300 m. Wydajność, początkowo mizerną, zwiększono wydatnie dzięki szczelinowaniu, co pozwoliło zainstalować turbogenerator binarny o mocy 3 MW. Gorącej wody jest tyle, że część kieruje się do ogrzewania mieszkań i miejskiego aquaparku. Planowane jest zwiększenie mocy siłowni do 8 MW.
Ogrzewanie dla Edenu
Pierwszą w pełni funkcjonalną elektrownią HDR mogą się poszczycić Francuzi. Po 20 latach prób, w czerwcu 2008 r., w alzackim Soultz uruchomiono zespół binarny o mocy 1,5 MW, korzystający ze sztucznego wymiennika ciepła utworzonego w granitach na głębokości 5 km. Projekt, realizowany pod kuratelą Komisji Europejskiej, pochłonął 80 mln euro. W kwietniu 2009 r. brytyjskie przedsiębiorstwo EGS Energy ogłosiło plany budowy siłowni HDR w pobliżu słynnego ogrodu botanicznego Eden w Kornwalii. Futurystyczne kopuły w St. Austell, mieszczące dziesiątki tysięcy tropikalnych roślin (patrz: POLITYKA 14/07), mają być za trzy lata ogrzewane i oświetlane prądem z siłowni o mocy 3 MW, wykorzystującej ciepło granitów na głębokości 4 km. Koszt budowy wyniesie 15 mln funtów. Licencji na eksploatację gorących skał udzielił rząd Portugalii, w Niemczech trwa realizacja kilku projektów geotermicznych, Szwajcaria ma zamiar wznowić projekt w Bazylei.
Prawdziwe geotermiczne eldorado odkryto jednak na antypodach. Cooper Basin to największe w Australii zagłębie naftowe położone w centrum kontynentu, na granicy Quenslandu i Płd. Australii. Odwiercono tu ponad 1800 otworów poszukiwawczych i eksploatacyjnych, niektóre przebiły warstwę skał osadowych i dotarły na głębokość 4 km do podścielających je granitów. Temperatury na dnie otworów przekraczały 300 st. W ten sposób odkryto najgorętsze śródkontynentalne skały na świecie. Strumień dotacji rządowych popłynął wartko i wspomógł rozwój firm próbujących dobrać się do podziemnej energii. Rząd Australii przewiduje, że w 2030 r. 6,8 proc. energii będzie pochodziło ze źródeł typu HDR.
A w Polsce? Ministerstwo Środowiska w grudniu 2009 r. zaakceptowało projekt badań przygotowany w Państwowym Instytucie Geologicznym w Warszawie. – W pierwszej kolejności chcielibyśmy się przyjrzeć pewnym skałom wulkanicznym, które zalegają na głębokościach 2–6 km na przedpolu Sudetów – mówi doc. dr hab. Jerzy Nawrocki, dyrektor Instytutu, który będzie przewodził konsorcjum badawczemu. – Interesująca jest również płyta bazaltowa na wschód od Lublina, a także masywy granitowe Sudetów. W 2008 r. Geotermia Podhalańska ogłosiła zamiar uruchomienia elektrowni binarnej, wykorzystującej zasoby najlepszego polskiego zagłębia geotermalnego. Potrzebne jednak są głębsze otwory, bo dotychczasowe ujmują wody o zbyt niskiej temperaturze.
Wydaje się, że nowa energetyka wychodzi wreszcie ze stadium raczkowania. Zasługuje na sukces, bo to najmniej kontrowersyjna metoda pozyskiwania energii elektrycznej ze wszystkich znanych rozwiązań. Oczywiście, można pokpiwać z dotychczasowych osiągnięć, jednak warto przypomnieć, że start energetyki jądrowej był równie trudny i chyba kosztowniejszy.
Mirosław Rutkowski
Energetyczny sezam
Zasoby energii geotermicznej są imponujące. Proste modelowanie wykazuje, że blok granitu o objętości 1 km3 i temperaturze 200 st. C, eksploatowany przez elektrownię o mocy 10 MW, może przez 20 lat dostarczyć energii równoważnej 1,27 mln ton ropy naftowej. Jego temperatura w tym czasie spadnie o 20 st., co w praktyce uniemożliwi dalsze funkcjonowanie elektrowni, lecz po 300–500 latach wróci do stanu początkowego. W 2006 r. naukowcy z MIT oszacowali na zlecenie Departamentu Energii zasoby geotermiczne Stanów Zjednoczonych. Z raportu wynika, że energii uwięzionej na głębokości 3–10 km wystarczyłoby dla całego świata na kilka tysiącleci. Stany Zjednoczone nie są pod tym względem wyjątkiem. Dlaczego więc do tej pory nie korzystano z tych naturalnych zasobów energii? Bo istniały tańsze sposoby wytwarzania prądu.
Przykre drgawki
18 grudnia 2006 r. seria wstrząsów sejsmicznych przerwała ambitny projekt stworzenia pierwszej w Europie elektrowni HDR w szwajcarskiej Bazylei. Trzęsienie ziemi o magnitudzie 3,4 – ledwo zauważalne dla ludzi, lecz szkodliwe dla infrastruktury – zmusiło ubezpieczycieli do wypłaty 7 mln franków odszkodowań. Wstrząsy spowodowało wtłoczenie wody pod wysokim ciśnieniem do skał na głębokości 5 km w celu utworzenia sztucznego wymiennika ciepła przyszłej elektrowni. Prac nie wznowiono do dzisiaj.
Wzrost sejsmiczności to jedna z wad (na szczęście nielicznych) energetyki HDR. Szczelinowanie hydrauliczne jest operacją brutalną – pękające skały generują drgania, czasami dochodzi do groźnych incydentów. Wstrząsy notowano również w Cooper Basin, Landau i wielu miejscach w Stanach Zjednoczonych. Zjawisko, znane od dawna, wykorzystuje się do monitorowania przebiegu procesu w wiertnictwie naftowym. Wydaje się, że nie da się uniknąć tej przykrej konsekwencji zaburzenia równowagi górotworu, ale naukowcy proponują ograniczenie stosowania tej metody jedynie do obszarów sejsmicznie stabilnych.